毫米波通信中的发送波形与无线覆盖技术研究

摘要

随着移动智能终端的广泛普及，现有6GHz以下频段无线通信已无法满足快速增长的数据流量需求。由于无线电低频段频谱资源有限，毫米波频段因其频带资源的巨大优势成为实现10Gbps吞吐量的室内无线局域网和第五代移动通信(5G)的关键频段，因此毫米波通信技术也成为当下研究的热点。虽然毫米波传输衰落快，路径损耗高，容易被遮挡等缺点为毫米波通信带来了较大的限制，但同时毫米波频段以其波长短，抗干扰能力强，波束窄，定向性好和保密性能等特点也为未来无线通信带来了机遇和挑战。为进一步提高毫米波无线通信的发展，本文针对毫米波无线通信中的波形技术和覆盖问题展开研究。论文的主要工作和创新点如下:
　　首先，研究了毫米波信号传输特性，对比分析了基于射线的SCM模型与28GHz-73GHz毫米波信道模型，研究了毫米波信道模型与现有微波频段信道模型的区别，并给出了毫米波信道模型具体的建模方法。主要针对本文研究中所需要使用的45GHz频段进行了信道特性仿真与分析，为后续传输技术性能比较提供了信道模型基础。
　　然后，研究了毫米波发送波形技术，主要研究了不同发送波形技术在5G新场景中的适用性以及在具有硬件损伤的毫米波通信系统中的传输性能。基于45GHz毫米波信道，针对单载波频域均衡和OFDM以及新波形技术在具有硬件损伤的系统下进行了较为全面的性能仿真，分析了不同传输技术在毫米波通信中的适用性。仿真结果表明，45GHz频段通信下的SC系统在考虑硬件损伤时较OFDM系统有明显的性能优势，更有利于硬件实现。在毫米波信道下，部分新波形，如f-OFDM、GFDM在BER以及PAPR方面与OFDM相比能够得到近似的性能曲线，并在频谱带外泄露方面较OFDM具有明显的优势。
　　最后，研究了毫米波高效覆盖混合波束成形技术。以最小化发送功率和保证全扇区服务质量(QoS)为基本目标，确定了功率高效混合波束成形优化问题，并最终提出了一种毫米波大规模MIMO公共信道下的高效覆盖混合波束成形方案。该方案可以获得一个具有高性能波束方向图且PAPR最低的波束成形矢量，并使其能够完成在数字/模拟混合预编码构架下的无损实现。仿真结果表明，该方案相比于现有方案能够有效降低PAPR并保证较高且稳定的增益，同时其更适用于具有大量但有限天线的毫米波大规模MIMO系统，能够保证高效率的无线覆盖。

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摘要

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表格目录

符号约定

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 毫米波无线通信关键技术

1．2．1 毫米波无线通信的特点和优势

1．2．2 毫米波信道模型

1．2．3 混合波束成形

1．2．4 单载波和多载波波形技术

1．3 研究内容及论文结构安排

第二章 毫米波信道模型

2．1 引言

2．2 基于射线的SCM模型

2．3 28-73GHz毫米波信道模型

2．3．1 全向NLOS路径损耗模型

2．3．2 簇和波瓣的统计

2．3．3 毫米波信道模型与传统SCM模型的区别

2．3．4 3-D毫米波信道系数产生方法

2．4 45GHz毫米波信道模型传播特性

2．5 本章小结

第三章 毫米波发送波形技术

3．1 引言

3．2 单载波技术

3．2．1 SC-FDE

3．2．2 SC-FDMA

3．3 多载波技术

3．3．1 OFDM

3．3．2 GFDM

3．3．3 f-OFDM

3．4 硬件损伤模型

3．4．1 功放非线性失真模型

3．4．2 相位噪声模型

3．4．3 IQ失衡模型

3．5 毫米波信道下性能比较分析

3．5．1 不考虑硬件损伤下的性能比较

3．5．2 考虑硬件损伤下的性能比较

3．6 本章小结

第四章 毫米波高效覆盖混合波束成形技术

4．1 引言

4．2 系统模型

4．2．1 混合波束成形模型

4．2．2 传输与信道模型

4．3 基本问题描述与优化设计

4．3．1 原始问题建模

4．3．2 优化设计思路

4．4 高效覆盖混合波束成形方案

4．4．1 理想波束增益和最优化设计(步骤一)

4．4．2 高效功率优化(步骤二)

4．4．3 在混合结构中的实现(步骤三)

4．5 仿真结果与分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 下一步研究与展望

参考文献

硕士期间发表的论文和科研成果

致谢